Reachable domain of spacecraft with a single tangent impulse considering trajectory safety

The reachable domain of the two-body transfer orbit with a single upper-bounded tangent impulse is studied. Three cases are analyzed for either the magnitude of the tangent impulse or the initial impulse point being free, or both being free. For a fixed impulse magnitude and a free initial impulse point, the initial orbit is proved to be one of the envelopes of the reachable domain. Moreover, the trajectory safety for the transfer orbit requires a lower bound on the perigee altitude and an upper bound on the apogee altitude. Then the ranges of the impulse magnitude and the initial true anomaly can be obtained by solving quadratic and cubic inequalities, respectively. If both constraints are required for an arbitrary impulse point, the range of the impulse magnitude is obtained with impulses at the perigee and the apogee. Several numerical examples with different eccentricities are provided to show the geometry of the reachable domain and to verify the proposed method.     

基于上升轨迹可达范围的目标拦截发射窗口计算

针对低轨目标拦截任务,提出一种利用上升轨迹可达范围分析的发射窗口计算方法。首先,建立以上升时长和航程为性能指标的上升轨迹和优化模型,确定拦截器上升轨迹可达范围。然后,根据目标星下点与上升轨迹可达范围外包络的穿越关系以及拦截器的上升时长范围,对发射窗口进行初筛,得到准发射窗口。最后,针对每一段筛选出的准发射窗口,通过精确判定目标星下点与每一上升时长可达范围子环的位置关系,得到每段准窗口中能够实现目标拦截的发射窗口,将其取并集得到针对目标拦截的精确发射窗口。仿真表明本文提出的计算方法能够快速准确得到目标拦截的发射窗口。     

气动辅助空间交会最优轨道设计与闭环导引律

给出了同平面HEO-LEO实现空间交会的必要条件;研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面HEO-LEO的空间交会方案,通过设计一条标准的同平面HEO-LEO气动辅助轨道转移的最优轨迹,得到了轨道转移飞行器(OTV)与目标实现交会必须满足的标准相角;最后对大气飞行段设计了非线性最优闭环导引律,通过引入Lyapunov最陡下降函数,对函数中相应参数进行适当调整,使应用闭环导引律得到的大气内飞行轨迹与最优轨迹充分接近,仿真结果表明该气动辅助空间交会方法正确、可行。     

观测站位置状态扰动下Taylor级数迭代定位方法及性能分析

针对具有一般普适意义的定位方程,给出观测站位置状态扰动下基于Taylor级数迭代的目标定位方法,并推导其理论性能。分别在“无校正源(情况a)”和“有校正源(情况b)”两种条件下进行算法推导和理论分析。针对情况(a),给出两种Taylor级数迭代公式,并证明两种方法的定位性能趋于一致,均能够达到相应克拉美罗界;针对情况(b),首先给出基于差分校正的Taylor级数迭代公式,针对其不足提出一种基于两步最优融合的Taylor级数迭代公式,并证明其理论性能可达到相应克拉美罗界。最后,设计两种无源定位实验场景用以验证算法设计与理论分析的有效性。     

基于演变谱理论和正交化HHT法的冲击响应谱时域信号合成方法

冲击响应谱时域信号是一类典型的非平稳信号,正交化HHT（Hilbert-Huang transform）法是进行非平稳信号时频分析的好方法。文章首先对冲击响应谱试验机实测到的时域冲击信号进行了正交化HHT频谱特性分析,然后将演变谱理论和正交化HHT法相结合,对实测的时域冲击信号进行了人工合成。频谱分析表明:合成的时域冲击信号与实测信号具有较好的一致性,且在信号的非平稳模拟方面,明显优于传统的三角波合成方法。最后,以该方法合成的时域信号为数据基础,进行了冲击响应谱的统计拟合,得到了冲击响应谱数学模型,结果可作为相关试验的输入条件。     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

多约束交会对接发射窗口的分析和规划

针对交会对接任务对发射窗口的轨道日照角、光学导航测量设备阳光抑制角和轨道共面等多项约束,建立了交会对接发射窗口计算数学模型,给出了交会对接发射窗口计算方法与流程,分析了各种约束对交会对接发射窗口的影响。计算并构建了交会对接任务目标飞行器和追踪飞行器的年度日照发射窗口集合。按照2种任务规划思路分别给出了确定目标飞行器和追踪飞行器年度共面窗口集合的方法,为多约束交会对接年度发射窗口的日窗口和时刻窗口的分析和规划提供了清晰的结果。仿真结果验证了交会对接年度发射窗口集合的正确性和有效性,模型、方法和结果可作为交会对接任务发射窗口分析和规划的依据。
     

基于全柔性卫星模型的控制闭环微振动建模与仿真

针对高分辨率遥感卫星的微振动分析,给出了一种整星结构运动与姿态控制系统闭环的建模方法。该方法基于全柔性卫星模型,通过考虑姿态控制系统的控制律和硬件特性建立集成仿真模型,进而预测卫星在轨微振动的微振动响应和结构传递特性。文章以某遥感卫星为例,分别从开环和闭环角度给出了微振动的微振动响应和结构传递特性的结果,并进行对比分析。分析结果表明：提出的方法能够实现全柔性卫星模型的控制闭环微振动分析,相对于传统的开环仿真更接近在轨实际情况。     

火星大气进入段纵向可达区生成的解析同伦法

针对火星大气进入段飞行器的飞行能力分析问题,提出一种基于解析同伦法的纵向可达区(开伞点高度-航程剖面)计算方法。该方法首先分别为最大航程问题/最小航程问题和最大/小开伞高度问题构造最优解已知的初始辅助优化问题,并以此为出发点最终求取原最优问题的解。在求解4个子优化问题的基础上,通过构造合适的同伦参数延拓出纵向可达区。〖JP2〗仿真结果表明,该方法有效避免了最优问题协态初值猜测困难的问题,通过设计合适的同伦参数,可以快速求取任意初始路径角下的开伞点最大/最小航程、最大开伞高度以及纵向可达区。     

初值不确定轨道可达区域计算

为计算航天器轨道初值不确定造成的可达区域（RD）,提出一种适用于椭圆参考轨道的计算方法。以航天器的名义轨道作为基线,定义一个随时间变化的移动参考平面,在此移动平面上建立名义轨道到可达区域上任一点的距离函数,函数的极大值点即为可达区包络的边界点,从而将问题转换为非线性方程组的求解问题,并对动力学模型部分线性化带来的误差进行了分析。随后采用变参数的自适应同伦算法对方程组进行求解。最后对航天器释放微小卫星的实例进行数值仿真,结果显示该方法可行有效。     

运载火箭推力故障不确定性下轨迹可达包络分析

针对运载火箭突发推力故障且故障存在不确定性的轨迹设计问题,提出了一种基于状态转移张量法(STT)的故障火箭轨迹可达包络分析方法。首先,建立了推力故障火箭的运动模型,通过构建故障火箭轨迹重规划问题,基于序列二次规划法获得了不考虑故障不确定性的重规划轨迹; 其次,基于线性协方差对非线性系统的不确定性传播进行建模,并对模型进行线性化,在此基础上提出了基于SST的运载火箭轨迹可达包络分析方法; 最后,通过与多次蒙特卡洛仿真对比验证所提方法在运载火箭轨迹可达包络定量分析中的有效性。     

空间飞行器在视线坐标系中的追逃界栅

针对近地共面圆轨道上的两飞行器追逃问题,应用定性微分对策理论,在双方均为连续小推力假设下,研究了在视线坐标系下对策双方在中立结局上的最优控制策略及中立结局的非线性界栅构造及线性界栅的求解方法。在线性化方法中,首先针对方程中的状态变量作线性化,待最优推力确定后,再对推力变量在确定的终端附近线性化。本文理论推导最终得到了最优推力及线性化界栅表达式,给出线性化界栅与非线性数值逼近解的仿真结果。     

最少燃料消耗的固定推力共面轨道变轨研究

本文研究了推力固定条件下，从圆轨道进入共面圆轨道一次入轨最节省燃料的推力方向控制策略。这类问题都可归结为两点边值问题，对自由初值的选取作了讨论，并采用打靶法迭代求解。计算了从停泊轨道到同步转移道以及两个过地圆轨道之间的最优转移，获得满意的结果。     

航天器贮箱液固耦合振动特性的仿真与试验研究

首先介绍了解决液固耦合问题的两类数值理论和相应的仿真方法,在ANSYS和NASTRAN有限元分析软件平台上分别采用液体单元法和虚拟质量法建立起圆柱形充液容器的液固耦合模型,模态分析算例取得了与模态试验一致的结果,校验了两种仿真方法的有效性,并对比分析了它们的特点;最后采用虚拟质量法对“嫦娥三号”探测器贮箱进行了频率响应分析,并将分析结果与贮箱正弦振动试验结果进行了比对,分析预示有效地指导了工程试验。     

Fast solar sail rendezvous mission to near Earth asteroids

The concept of fast solar sail rendezvous missions to near Earth asteroids is presented by considering the hyperbolic launch excess velocity as a design parameter. After introducing an initial constraint on the hyperbolic excess velocity, a time optimal control framework is derived and solved by using an indirect method. The coplanar circular orbit rendezvous scenario is investigated first to evaluate the variational trend of the transfer time with respect to different hyperbolic excess velocities and solar sail characteristic accelerations. The influence of the asteroid orbital inclination and eccentricity on the transfer time is studied in a parametric way. The optimal direction and magnitude of the hyperbolic excess velocity are identified via numerical simulations. The found results for coplanar circular scenarios are compared in terms of fuel consumption to the corresponding bi-impulsive transfer of the same flight time, but without using a solar sail. The fuel consumption tradeoff between the required hyperbolic excess velocity and the achievable flight time is discussed. The required total launch mass for a particular solar sail is derived in analytical form. A practical mission application is proposed to rendezvous with the asteroid 99942 Apophis by using a solar sail in combination with the provided hyperbolic excess velocity.     

不规则小行星附着可达区生成方法

针对不规则小行星表面附着任务需求,提出了一种基于动态邻域搜索的可达区生成方法。首先,建立了可达区数学模型,并采用质心距映射函数对非定点附着的终端位置约束进行了处理。在此基础上,将可达区的优化问题转化为附着基准点计算、边界起始点计算和边界点搜索三个子问题。针对附着基准点与边界起始点,分别通过最小燃耗轨迹优化与极限燃耗轨迹优化求解;针对边界点,设计了导向式动态邻域搜索方法,将复杂的非定点着陆优化问题简化为定点着陆燃耗优化与边界插值。最后,以小行星433 Eros为对象,对所提出的可达区生成方法进行了仿真。结果表明,该方法能够生成不规则小行星表面的可达区,具有较高的搜索求解效率,并适用于不同的初始位置和燃耗条件。     

非合作式星载双站雷达波束同步设计

波束同步设计是星载分布式雷达系统总体设计的重要问题。针对发射卫星是非合作式的情况，给出六种可能的卫星姿态和天线指向参数方案。给出如下数学模型：针对一般编队，总结出波束指向同步的一般方法；提出一种基于波束指向同步的波束覆盖同步方法，并基于该方法，得到上述六种方案对应的波束覆盖同步方法；提出衡量姿态和天线指向控制能力要求的方法和覆盖能力模型，对六种可能的卫星姿态和天线指向方案，进行波束同步设计和波束覆盖能力仿真分析和比较，仿真结果验证了数学模型的正确性。     

天线组阵中相位差的递推最小二乘估计与滤波

相位差的估计精度是影响深空网天线组阵中信号合成性能的关键因素。利用天线组阵S UMPLE或SIMPLE相关算法中相位差估计值之间的几何关系,提出了相位差变化率的最小二乘 估计,并在此基础上提出了相位差的递推最小二乘滤波方法。经过理论分析和仿真实验表明 ,所提出的方法能够大大提高相位差的估计精度;对于给定的例子,估计精度提高了接近两 个数量级。相位差经滤波后,天线阵的信号合成性能显著增强,从而大大提高对深空通信中 微弱信号的数据接收能力。
     

飞行控制软件测试用例辅助设计系统原型的设计与实现

BranchTCase原型是针对飞行控制软件中分支结构的测试用例辅助生成系统,它可以分析统计被测软件中的分支结构,生成覆盖所有可达分支的执行路径集合,从而辅助测试人员基于分支覆盖设计测试用例。BranchTCase采用纯静态技术,不依赖动态插装,通过扫描被测软件的源代码,得到软件的基本静态信息,并构造程序的执行流程图,最后遍历得到执行路径集合。本文阐述了BranchTCase原型的设计思路,讨论了其中的静态扫描分析、结构分析、分支结构遍历等主要算法。最后以某型号飞行控制软件为分析实例,得到了覆盖其所有分支结构的执行路径集合。     

同平面LEO-LEO气动辅助空间交会

给出了实现同平面LEO-LEO空间交会的必要条件，分析了基于脉冲的主动调相方法，并重点研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面LEO—LEO的空间交会方案。通过设计标准的同平面HEO—LEO气动辅助轨道转移最优轨迹，得到OTV与目标实现交会必须满足的标准相角，然后采用主动调相法使飞行器运行到高轨道时，恰好满足HEO—LEO气动辅助空间交会的标准相角，最后借助气动辅助轨道转移技术实现空间交会。该方法具有扩大发射窗口，且比基于脉冲主动调相法节省燃料等优点。